Integrando um Triplet-triplete Annihilation Sistema Up-conversion para melhorar Dye-sensibilizadas Response célula solar para a Luz Sub-bandgap

Células solares sensibilizadas por corante (DSCs) tem sido proclamado como um conceito promissor na coleta de energia solar acessível ^1-3. Apesar deste entusiasmo, a comercialização generalizada ainda está para ocorrer. Uma série de razões foram apresentadas para isso, com uma questão premente sendo relativamente alta energia do início absorção, limitando a eficiência alcançável coleta de luz desses dispositivos ^4. Embora isto pode ser superado, reduzindo o aparecimento de absorção é normalmente acompanhado por uma queda na tensão de circuito aberto, o que corrói desproporcionalmente quaisquer ganhos em densidade de corrente ^{5, 6.}

A operação geral de DSCs envolve a transferência de electrões a partir de um corante fotoexcitada para um semicondutor (tipicamente TiO _2), seguido pela regeneração do corante oxidado com um mediador redox. Ambos estes processos parecem exigir forças substanciais (potenciais) de modo a prosseguir com alta eficiência ⁷ </sup>. Com tais perdas inerentes significativos, torna-se óbvio que o início absorção ideal para esses dispositivos é suficientemente elevado de energia. Problemas similares existem para células fotovoltaicas orgânicas (OPV), devido mais uma vez para as grandes forças motrizes químicos necessários para a separação de carga efetiva. Assim, as previsões de limites de eficiência de conversão de energia solar-a-elétrico superiores aos dispositivos de junção única com base em ambas as tecnologias envolvem absorção com grandes lacunas da banda (eficaz) ^4.

A fim de superar o problema da colheita luz levantada acima, foram tomadas uma série de abordagens. Isso inclui a 'terceira geração' ⁸ abordagens de estruturas em tandem ^{9, 10} e fóton upconversion ^11-14.

Recentemente ¹¹ informamos um dispositivo integrado composto por um eletrodo de DSC de trabalho e contra, com uma aniquilação triplete-triplete baseado up-conversion (TTA-UC) sistema incorporada empara a estrutura. Este elemento TTA-UC foi capaz de colher luz vermelha transmitida através da camada activa e convertê-lo quimicamente (tal como descrito em detalhe abaixo) aos fotões de energia mais elevada, que poderia ser absorvida pela camada activa do DSC e gerar fotocorrente. Há dois pontos importantes a serem observados sobre este sistema. Em primeiro lugar, TTA-UC tem muitas vantagens potenciais em relação a outros sistemas de fótons de conversão ascendente ^11; em segundo lugar, demonstra uma arquitetura viável (prova de princípio) para a incorporação de TTA-UC, o qual tinha sido falta do TTA-UC literatura até este ponto.

O processo de TTA-UC ^15-24 envolve a excitação de moléculas de "sensibilizador", neste caso, porfirinas de Pd, por uma luz com uma energia inferior à energia aparecimento dispositivo. Os sensibilizadores singlet-animado sofrer rápida passagem inter para o estado triplete de mais baixa energia. De lá, eles podem transferir energia para um trio aceitar 'emissor & # estado fundamental8217; espécies, tais como rubreno, enquanto a transferência está permitida pela energia livre ^25. O primeiro estado tripleto de rubreno (T ₁₎ é maior do que metade da energia do seu primeiro estado de singuleto animado (S _1), mas menos do que a metade da energia de T _2, o que significa que um complexo de encontro de dois tripletos rubrenes-animado pode aniquilar a dar uma molécula singuleto animado emissor (e a outra no estado de terra), com uma elevada probabilidade. Outros estados, previstos estatisticamente, é mais provável energicamente inacessível para rubreno ^26. A molécula singuleto rubreno animado pode então emitir um fotão (como por fluorescência) com energia suficiente para excitar o corante sobre o eléctrodo de trabalho da DSC. Este processo é mostrado na animação 1.

TTA-UC oferece uma série de vantagens em comparação com outros sistemas, tais como UC, uma gama ampla de absorção e natureza incoerente ^{27, 28,} tornando-se uma opção atraente para coupling com DSC (bem como a OPV). TTA-UC foi demonstrada operando a relativamente baixas intensidades de luz e em condições de iluminação difusa. Ambos DSC e OPV são mais eficientes no regime de baixa intensidade de luz. Concentração solar é caro e só se justifica pela alta eficiência, os dispositivos de alto custo. O desempenho relativamente alto de sistemas TTA-UC em baixas condições de iluminação intensidade é atribuível ao processo que envolve cromóforos sensibilizador com, bandas de absorção largas fortes em conjunto com estados triplete de longa duração, que são capazes de difundir, de modo a entrar em contacto com espécies que interagem . Além disso, o TTA-UC foi encontrada para ter alta eficiência intrínseca de um estudo cinético ^26.

Embora TTA-UC opera em baixa intensidade de luz, ainda existe uma relação quadrática entre a intensidade da luz incidente e a luz emitida (pelo menos em baixas intensidades de luz). Isto é devido à natureza do processo bimolecular. Para dar contapara isso e as condições experimentais variados (particularmente intensidade de luz) relatados por diferentes grupos, uma figura de mérito do sistema (FOM) deve ser empregado para medir a melhoria de desempenho oferecido por upconversion. Este FOM tem sido definida como ΔJ _SC / ʘ, onde ΔJ _SC é o aumento da corrente de curto-circuito (geralmente determinada pela integração do Incidente Photon para carregar Eficiência Carrier, IPCE, com e sem o efeito de upconversion) e ʘ é a energia solar eficaz concentração (com base no fluxo de fotões na região em questão, isto é a absorção da banda Q de sensibilizador) ^{2 29.}

Nisto, um protocolo para produzir e caracterizar corretamente um dispositivo DSC-TTA-UC integrada é relatado, com especial atenção para possíveis armadilhas em teste do dispositivo. Espera-se que isso vai servir como uma base para futuros trabalhos nesta área.